汽车结构件疲劳耐久分析（四）：常见子系统和零件疲劳耐久开发方法

在汽车产业刚刚出现的时候，企业所采用的疲劳耐久开发方法是很简单的将产品交给客户，通过客户在实际使用中的反馈来改进产品。比如卡车企业，常常用一种比较悠闲的方式来进行产品开发。首先制造几辆样车，交给经过仔细选择的客户进行使用。如果发生问题，便进行改进设计，直到这些车辆能够在顾客的使用环境中“生存”为止。一旦一个新设计在几个顾客的手中得到验证，卡车制造公司便开始投产。很多卡车制造公司都采用这种开发方法，一直到20世纪50年代。这种开发方法会使一种新车型的开发时间拖得比较长。



在1920年以前，轿车、卡车的性能和耐久性试验都在公共道路上进行，各家厂商都选择了包括城市道路和乡村道路的试验路线。选择的原则是使测试车辆可以经受到在实际使用中所碰到的冲击载荷和动态载荷，并且为了缩短试验行驶里程和时间，使单位行驶距离内出现上述载荷的频次比在实际使用中的更高。因此，这些试验也属于加速寿命试验。同时，厂商们也在收集有关产品实际使用的数据并与上述试验数据进行对比分析。积累了一定的经验后，厂商们就可以确信，如果一辆车可以在上述试验路线上行驶一定的里程而不发生失效，那么它在客户手中就可以具有足够的工作寿命。



但是，公共道路的路况变化比较大，试验条件难以控制，造成试验结果重复性和可比性较差，试验周期比较长。到了20世纪20年代，汽车厂商们已经认识到进行仔细控制的耐久性试验的价值。而这样的试验需要在试验室内的试验设备上进行或者在专门的试验场地上进行。

在美国，最早的专用车辆试验场之一是美国陆军的阿伯丁试验场（Aberdeen proving ground)，这个试验场在1920年以前就已经修建好，在第一次世界大战中用于试验大炮。1924年，通用汽车在密歇根州Milford修建了试验场。在这个试验场中包含了各种有代表性的汽车行驶道路，主要用于在标准条件下对批量生产前、后的轿车进行验证试验，也对竞争对手的产品进行综合试验。

在国内，主要的试车场有北京通州的交通部试车场、海南琼海的海南汽车试验场、属于军方的定远汽车试验场等，几家大的汽车公司也有自己的试车场，比如湖北襄樊的东风襄樊汽车试验场、上海通用的广德汽车试验场、大众在新疆的汽车试验场等等。



在一个典型的汽车耐久试验场中有一系列专门修建的试验道路，例如高速跑道、扭曲路、石块路、卵石路、鱼鳞坑、搓板路、砂石路、乡村土路等，每一种道路都使车辆受到独特的载荷输入。一些路面被设计来再现各种路面不均匀性，例如路面补块、裂缝、冻胀、坑洼、路面下沉、路桥接缝、铁路等等。各家厂商会根据对车辆的定义、目标用户等等定义车辆的载重、试验道路的种类以及通过它们的行驶速度，从而以确定载荷强度和频率考核整车和各个零部件。不同的厂家往往会有不同的试验里程和时间，从几千公里到几万公里，几个星期到几个月不等。

进行试车场的整车耐久试验要耗费大量的人力物力。而且还常常由于驾驶员、环境和试验道路的变化而得到不一致的结果。另外，如果只更改几个零件，也必须用整车去进行试验。此外，为了缩短耐久性试验的时间，试验场上的试验条件变得越来越苛刻。这主要是通过建设更加恶劣的试验道路和加快行驶车速来实现的。但是，到了20世纪50年代，人们开始认识到使耐久性试验场的试验条件过于苛刻并不合理，因为它会引起一些在实际使用中并不会出现的失效模式，从而引起误导。



在20世纪60年代出现的两个技术上的重大发展，大大促进了汽车耐久性技术的发展。第一个是把各种损伤累积模型应用在车辆零部件的开发中，进行随机疲劳寿命预计。这把汽车耐久性技术置于一个坚实的理论基础之上。第二个是把伺服液压作动器引入车辆开发试验室。伺服液压作动器的引入使得在试验室中能够比较准确地复现车辆在道路行驶中所受到的载荷，试验的重复性得到了大大改善。现在，所有的整车厂和零部件企业都在应用这一系统进行耐久性开发与验证。

在试验室进行的耐久性试验一般称为道路模拟试验。在道路模拟试验中，一般包括以下步骤：

1. 测量准确的载荷信号，一般是通过6分力轮、应变片、加速度传感器以及位移传感器等设备获取车辆在试车场上的载荷信号
2. 对测量获得的信号进行加速处理在道路模拟试验台架上通过迭代复现目标信号
3. 形成加载信号
4. 反复施加加载信号进行耐久性试验



从上世纪5、60年代起，随着计算机技术和有限元技术的发展，基于有限元分析进行的疲劳耐久仿真分析也逐渐发展起来，经过几十年的发展，汽车行业已经在产品开发的早期阶段广泛应用CAE技术来替代开发试验和验证试验。以寿命为设计目标，调查用户用途及使用环境，在设计阶段采用有限元分析和疲劳理论进行寿命分析并优化设计。试验时只对“好”的设计进行验证试验。用试验关联验证分析结果，用分析指导指导试验，两者相互配合。



通过这样的方法，产品开发质量高，开发周期短，开发成本低。